Cada hogar tiene docenas de láseres. Leen los datos de los discos Blu-ray, transportan llamadas telefónicas a través de cables de fibra óptica, escanean los productos en la caja del supermercado y guían instrumentos quirúrgicos con precisión submillimétrica. Su primo el máser, la contraparte de microondas del láser, no tiene tal currículum. Siete décadas después de su invención, el máser permanece encerrado en laboratorios de física, requiriendo temperaturas criogénicas o cámaras de vacío para funcionar. Pero eso finalmente podría estar cambiando. Por primera vez, investigadores han demostrado un máser semiconductor que funciona a temperatura ambiente, construido a partir de carburo de silicio, un material que ya se produce en masa para electrónica de potencia e iluminación LED.
Este avance, publicado en Nature Communications, representa más que un simple récord de temperatura. Sugiere que los máseres podrían seguir el mismo camino que los láseres en las décadas de 1960 y 1970: de aparatos de laboratorio voluminosos a componentes compactos fabricados en masa e integrados en la tecnología cotidiana.
Los máseres y los láseres comparten la misma física fundamental. Ambos se basan en la emisión estimulada, el proceso por el cual un átomo o molécula excitada es desencadenado por un fotón que pasa para liberar un fotón idéntico, amplificando la señal. La diferencia es la longitud de onda. Los láseres producen luz visible o infrarroja. Los máseres producen microondas y ondas de radio. El primer máser, construido por Charles Townes en 1954, usaba gas amoníaco y cabía en una caja de pan. Era física elegante pero ingeniería poco práctica. Para funcionar, las moléculas de amoníaco tenían que separarse mediante campos eléctricos dentro de una cámara de vacío, produciendo solo unos pocos nanovatios de potencia.
Los máseres de estado sólido mejoraron las cosas pero introdujeron un obstáculo diferente: la necesidad de helio líquido, que hierve a 4 kelvin. La red cristalina de un sólido genera vibraciones que destruyen la inversión de población necesaria para la acción del máser, por lo que todo el dispositivo debe mantenerse cerca del cero absoluto. Este requisito criogénico hizo de los máseres detectores exquisitamente sensibles para la radioastronomía, pero completamente inadecuados para uso comercial. Los láseres, por el contrario, encontraron su vía de escape en los semiconductores. El diodo láser semiconductor, demostrado en 1962 y comercializado en las décadas siguientes, pudo fabricarse pequeño, eficiente y barato.
El nuevo máser busca hacer lo mismo para las microondas. Utiliza un cristal de carburo de silicio 4H, un politipo de SiC que ya se usa ampliamente en electrónica de potencia de alto voltaje e inversores de vehículos eléctricos. La acción del máser proviene de un tipo específico de defecto en la red cristalina: una vacante de silicio, donde falta un solo átomo de silicio en su sitio, dejando un centro electrónico activo de espín. Estos centros Vsi imitan el papel del cristal de rubí en el primer láser, pero con una ventaja importante. Se encuentran dentro de un semiconductor que puede, en principio, ser bombeado eléctricamente.
Los investigadores demostraron operación de onda continua por encima de la temperatura ambiente a 315 kelvin (42 grados Celsius). El truco fue un bucle de retroalimentación activa que multiplica el factor de calidad del resonador de microondas por un factor de 5, atrapando efectivamente el campo de microondas el tiempo suficiente para que la débil ganancia de las vacantes de silicio se convierta en oscilación sostenida. A 110 kelvin, el dispositivo alcanzó una ganancia superior a 10 decibelios. A temperatura ambiente con 617 milivatios de potencia de bombeo óptico a 808 nanómetros, una longitud de onda producida por diodos láser económicos, la potencia de salida alcanzó menos 80 dBm por hercio, un nivel comparable a las señales encontradas en receptores prácticos de microondas.
Para demostrar que el máser era más que una curiosidad de laboratorio, el equipo demostró tres aplicaciones distintas utilizando el mismo dispositivo. La primera fue un amplificador de bajo ruido con una figura de ruido entre 1 y 3,5 decibelios. En comparación, los amplificadores de microondas convencionales a temperatura ambiente luchan por alcanzar valores inferiores a 6 decibelios. El amplificador de máser logra su bajo ruido porque la emisión estimulada, a diferencia de la amplificación resistiva, casi no añade ruido térmico a la señal. Esto podría hacerlo útil para circuitos de lectura cuántica, receptores de radioastronomía y estaciones base 5G o 6G.
La segunda demostración fue aún más inusual: un refrigerador de microondas. El máser, cuando se sintoniza para absorber microondas en lugar de amplificarlas, actúa como una bomba de calor que extrae energía del modo de cavidad. Los investigadores midieron la temperatura del modo de cavidad cayendo 40 kelvin por debajo de la temperatura ambiente del dispositivo. Esta es una forma de enfriamiento activo a frecuencias de microondas, análoga a lo que una trampa de enfriamiento láser hace para los átomos, y podría ayudar a proteger circuitos cuánticos sensibles del ruido térmico sin necesidad de un refrigerador de dilución.
La tercera demostración fue un magnetómetro. Los centros de vacante de silicio son sensibles a los campos magnéticos debido a sus propiedades de espín, pero la lectura de ese estado de espín mediante métodos ópticos convencionales es ruidosa. El máser proporciona una alternativa: el estado de espín modula la ganancia del máser, que a su vez modula la potencia de salida. Esta lectura logró una sensibilidad de 20 picoteslas por raíz cuadrada de hercio. La relación contraste-anchura de línea mejoró en nueve órdenes de magnitud en comparación con la lectura óptica convencional. Nueve órdenes de magnitud es la diferencia entre un reloj de pulsera y la edad del universo.
La elección del carburo de silicio sobre el diamante, que se ha utilizado en experimentos anteriores de máser, es deliberada. Los máseres de diamante sufren un desdoblamiento a campo cero en el rango de gigahercios, lo que significa que los niveles de energía de espín ya están ampliamente separados incluso en campo magnético cero. Esto dificulta sintonizar la frecuencia del máser o cambiar entre amplificación y absorción. El carburo de silicio tiene un desdoblamiento a campo cero de solo 70 megahercios, aproximadamente 100 veces menor. Un cambio en el campo magnético de solo 2,5 militeslas en cualquier dirección es suficiente para cambiar el dispositivo entre comportamiento de amplificación y absorción. Esta sintonizabilidad es esencial para aplicaciones prácticas. Un refrigerador que solo enfría una frecuencia fija es mucho menos útil que uno que puede sintonizarse para coincidir con el pico de ruido térmico específico del circuito que está protegiendo.
La importancia más amplia reside en la compatibilidad de materiales. El carburo de silicio no es un cristal especializado cultivado solo para experimentos cuánticos. Es un semiconductor estándar, fabricado en fundiciones que ya producen millones de obleas por año para vehículos eléctricos, inversores solares y fuentes de alimentación de alto voltaje. La infraestructura para fabricar, dopar y contactar SiC es madura. Esto plantea la perspectiva de un diodo máser accionado eléctricamente, análogo al diodo láser. En lugar de requerir una bomba óptica externa a 808 nanómetros, dicho dispositivo inyectaría electrones y huecos directamente en el carburo de silicio, creando la inversión de población eléctricamente. Un diodo máser semiconductor, lo suficientemente pequeño para caber en un chip y lo suficientemente barato para integrarse en electrónica de consumo, traería la misma revolución a las microondas que el diodo láser trajo a la luz.
Lo que los láseres hicieron por la luz (reducir, industrializar y democratizar un efecto físico fundamental), el máser semiconductor puede ahora hacerlo por las microondas. El primer láser era una varilla de rubí dentro de una lámpara de flash helicoidal, un dispositivo que ocupaba una mesa de laboratorio. Hoy, un diodo láser del tamaño de un grano de sal alimenta internet. El primer máser semiconductor sigue siendo más voluminoso que eso, pero funciona a temperatura ambiente, está construido a partir de un material que ya está en producción en masa, y amplifica, enfría y detecta. La historia del láser sugiere que una vez que un dispositivo puede construirse a partir de un semiconductor, el camino hacia la ubicuidad está abierto.
Traducido por Alessandra
Referencia: Nature Communications 17, 7267 (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75446-2